CN101860343B

CN101860343B - 数字式变阻装置

Info

Publication number: CN101860343B
Application number: CN 201010189986
Authority: CN
Inventors: 姜维利
Original assignee: Beijing Const Instruments Technology Inc
Current assignee: Beijing Sangpu Xinyuan Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-05-25
Also published as: CN101860343A

Abstract

本发明提出了一种数字式变阻装置，包括第一端口和第二端口，以及连接在所述两端口之间的电流调节电路，通过对电流调节电路中的电流值进行控制来得到所需电阻。其中，电流调节电路包括第一电阻、第二电阻、电压差测量电路以及输出电流可变的数控电流源。该数控电流源的输出的电流方向和大小均可控，从而起到模拟电阻外特性的作用。本发明的数字式变阻装置具有输出调谐范围大，模拟电阻值稳定的优点。

Description

数字式变阻装置

技术领域：

本发明属于电子技术领域，具体涉及到一种变阻装置。

背景技术：

随着电子技术的发展，在很多领域，特别是在自动化校准行业，越来越多的仪器仪表开始使用数字变阻设计以达到方便使用的要求。然而，目前的这些设计都存在一个相同的问题：测量电阻所使用的激励电流要流经变阻装置所使用的电源及多数元件。所以激励电流与变阻装置具有较大的耦合性。一旦激励电流的纹波较大(被校准的仪表一般都采用AC-DC电源，其纹波普遍较大)，则会影响变阻装置内部的动态特性，造成输出不稳定，严重时将不能正常工作。例如，专利文件ZL200310113470.0公开了一种数字式变阻器，其用电子线路模拟电阻的外特性，形成了数字式变阻装置。但是，在这种数字式变阻器中，由于测量模拟电阻时使用的测试电流通过包括运算放大器和数模转换器的测试和转换电路，故该测试和转换电路将受到测试电流上的尖峰和毛刺的影响，使得模拟输出的电阻与实际电阻之间有一定偏差，并且模拟电阻的稳定性较差。另外，上述专利文件所公开的变阻装置的阻值调节范围有限，不能实现0到无穷大的阻值调节。

发明内容：

为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种稳定、阻值调节范围大的数字式变阻装置。

本发明采用以下技术方案：

提出了一种数字式变阻装置，包括第一端口A和第二端口B，以及连接在第一端口A与第二端口B之间的电流调节电路，通过调节电流调节电路中的电流值来得到所需电阻。上述电流调节电路包括第一电阻Rs、第二电阻R、电压差测量电路以及输出电流可变的数控电流源。其中，第一电阻Rs的一端连接第一端口A，另一端与第二电阻R的一端连接，第二电阻R的另一端连接第二端口B；电压测量电路对第一电阻Rs两端的电压差U_Rs进行测量，并将电压差U_Rs输出给数控电流源；并且，数控电流源的输出与第二电阻R的两端连接，用于控制流经第二电阻R的电流。

上述数字式变阻装置中，所述数控电流源一种方式可以包括电压/电流转换模块以及数字控制装置，其中，电压/电流转换模块包括电压/电流转换电路和控制电路，控制电路与数字控制装置连接，用于根据数字控制装置的状态或指令来控制电压/电流转换电路的电压/电流转换系数K。

对于该电路，当电压/电流转换模块输出的电流方向被预设为从第二电阻R的连接于第二端口B的一端处流入第二电阻R时，第一端口A和第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R-K×Rs×R，其中0≤K≤(Rs+R)/(Rs×R)；当电压/电流转换模块输出的电流方向被预设为从第二电阻R的连接于第一电阻Rs的一端处流入第二电阻R时，第一端口A和第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R+K×Rs×R，其中K≥0。另外，控制电路还可用于根据数字控制装置的状态或指令来控制电压/电流转换模块的电流输出方向。

上述数字式变阻装置中，所述数控电流源另一种方式可以包括模数转换器、数字控制装置和电流发生器，其中，模数转换器将电压差测量电路输入的电压差U_R转换成数字信号输出给数字控制装置，电流发生器与数字控制装置连接，用于根据数字控制装置的状态或指令来输出电流I1。其中，电流I1与电压差的关系为I1＝K×U_R，K由数字控制装置的状态或指令来确定。

对于该电路，当电流发生器输出的电流方向被预设为从第二电阻R的连接于第二端口B的一端处流入第二电阻R时，第一端口A和第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R-K×Rs×R，其中0≤K≤(Rs+R)/(Rs×R)；当电流发生器输出的电流方向被预设为从第二电阻R的连接于第一电阻Rs的一端处流入第二电阻R时，第一端口A和第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R+K×Rs×R，其中K≥0。另外，所述电流发生器包括电压/电流转换电路和控制电路，控制电路还可用于根据数字控制装置的状态或指令来控制电流发生器的电流输出方向。

采用了上述技术方案后，本发明的优点在于：测量本模拟电阻的电流与其它电路基本不发生电流耦合，能够将该电流上的尖峰和毛刺影响限制到只与其提供者相关，从而使本模拟电阻更接近实物电阻，并大大提高了模拟电阻的稳定性；另外，本模拟电阻可实现0到无穷大的阻值调节。

附图说明：

图1是本发明数字式变阻装置的原理示意图。

图2是本发明数字式变阻装置的一个实施例的电路图。

图3是本发明数字式变阻装置的另一个实施例的电路图。

具体实施方式：

参照图1(a)可知，本发明公开的数字式变阻装置包括第一端口A、第二端口B以及连接在第一端口A与第二端口B之间的电流调节电路1，其中电流调节电路1包括第一电阻Rs和第二电阻R，并且第二电阻R的两端与一可调电流源(数控电流源)2连接。可调电流源2的输出电流I1与流经第一电阻R的电流I2从第二电阻R的同一端流入第二电阻R，故流经第二电阻R的电流I_R＝(I1+I2)。此时从A、B两端口看进去的电阻可表示为：

R_AB＝U_AB/I2＝(U_Rs+U_R)/I2

＝Rs+U_R/I2

＝Rs+R×(I1+I2)/I2

＝Rs+R×(1+I1/I2) (1)

其中，U_AB为A、B两端的电压差，U_Rs为Rs两端的电压差，U_R为R两端的电压差。由(1)式可知，此时调节I1的大小，即调节可调电流源2的输出电流值，则可以使R_AB的值在Rs+R到无穷大值之间变化。

在图1(b)中，可调电流源2的输出电流I1与流经第一电阻R的电流I2从第二电阻R的不同端流入第二电阻R，故流经第二电阻R的电流I_R＝(I2-I1)。此时从A、B两端口看进去的电阻可表示为：

R_AB＝U_AB/I2＝(U_Rs+U_R)/I2

＝Rs+U_R/I2

＝Rs+R×(I2-I1)/I2

＝Rs+R×(1-I1/I2) (2)

由(2)式可知，此时调节I1的大小，即调节可调电流源2的输出电流值，则可以使R_AB的值在0到Rs+R之间变化。

图2给出了根据图1所示原理的本发明数字式变阻装置的一个实施例电路图。参照图2，该变阻装置包括第一端口A、第二端口B、第一电阻Rs、第二电阻R、滤波器3、差分电路4、微处理器5以及V/I(电压/电流)转换模块6。其中，滤波器3可以是有源或无源的，差分电路4可以是隔离型或非隔离型的。可调电流源(数控电流源)2包含了电压/电流转换模块6和微处理器(数字控制装置)5。

第一电阻Rs有E、F两端，第二电阻R有C、D两端，其中，第一电阻Rs的E端连接于第一端口A，F端连接于第二电阻R的C端，第二电阻R的D端连接于第二端口B。

测试电阻时，设第一端口A处的电压高于第一端口B处的电压，因此电流的方向为从第一端口A流入变阻装置电路。

差分电路4的两个输入端分别与第一电阻Rs的E、F两端连接，对第一电阻Rs两端的电压差进行测量，并且差分电路4的输出端与V/I转换模块6的电压输入端连接，将测量所得的电压差送至V/I转换模块6。为了降低流经第一电阻Rs的电流对差分电路4的影响，如图3所示在第一电阻Rs两端与差分电路4的输入端之间连接滤波器3。加入滤波器3后，可认为流经第一电阻Rs的电流等于从第一端口A流入的电流。V/I转换模块6包括V/I转换电路和控制电路，其中V/I转换电路用于将输入的电压差转换成电流输出，控制电路与微处理器5连接，用于根据微处理器5的指令设定V/I转换电路的V/I转换系数。

V/I转换模块6的电流输出端分别与第二电阻的C、D两端连接。从图3可以看出，V/I转换模块6输出的电流与流经第一电阻Rs的电流都从第二电阻R的C端流入第二电阻R(该配置称为变阻装置的同向调节模式)。

假定为测量A、B两端电阻而施加的电压为U_AB，从第一端口A流入的电流为I2，V/I转换模块输出电流为I1，第一电阻Rs两端的电压差为U_EF，并且第二电阻R两端的电压差为U_CD。V/I转换模块可做成线性转换关系，即其输出电流为：

I1＝K×U_EF(3)，其中K为V/I转换系数(K≥0)。

另外，如上所述，由于I1和I2从第二电阻R的同一端流入第二电阻R，故流经第二电阻R的总电流为I1+I2。

综上所述，图2所示电路有如下关系式：

U_EF＝I2×Rs (4)

U_AB＝U_EF+U_CD＝I2×Rs+(I1+I2)×R (5)

联立(3)至(5)式可得从A、B两端看进去的电阻为：

R_AB＝U_AB/I2＝(I2×Rs+I1×R)/I2

＝Rs+R×(1+I1/I2)

＝Rs+R×(1+K×Rs) (6)

(6)式即为同向调节模式下的AB两端模拟电阻的计算式。V/I转换模块6的V/I转换系数K是由微处理器5来设定的，因此，通过微处理器5发出指令改变(6)式中的K值，即可改变AB两端模拟电阻。由于K≥0，在该情况下变阻装置的输出阻值可以在Rs+R～无穷大之间进行调节。

当V/I转换模块6的输出电流I1采用与图2相反的方向时(该配置可称为变阻装置的反向调节模式)，由于I1和I2从第二电阻R的不同端流入第二电阻R，故流经第二电阻R的总电流为I1-I2。同理可求得此时从A、B两端看进去的电阻为：

R_AB＝Rs+R×(1-K×Rs) (7)

(6)式即为反向调节模式下的AB两端模拟电阻的计算式。根据实际应用的要求限定0≤K≤(Rs+R)/(Rs×R)，在该情况下，变阻装置的输出阻值可以在0～Rs+R之间进行调节。

为了使变阻装置可以实现更大的输出电阻调节范围，可以将图2中的V/I转换模块6设计成通过微处理器5来改变其输出的电流极性。同理，可以求得此时从A、B两端看进去的电阻为：

R_AB＝Rs+R×(1±K×Rs) (8)

变阻装置通过微处理器6的控制可在正向调节模式和反向调节模式之间切换，由以上讨论可知，此时变阻装置可以在0到无穷大之间的调节输出阻值。

图3给出了根据图1所示原理的本发明数字式变阻装置的另一个实施例电路图。在图3中，可调电流源(数控电流源)2包含了模数转换器7、数字控制装置(微处理器5)和电流发生器8(电流发生器8包括电压/电流转换电路和控制电路)；差分电路4的输出通过模数转换器7转变成数字信号，并且该数字信号输出给微处理器5。微处理器5接收该数字信号并进行处理，然后向电流发生器8发出指令，使得电流发生器8输出电流I1＝K×U_EF，其中K由微处理器5来设定。

同理，对图3中电路的分析可得到和图2中电路相同的结论，在此不作赘述。

表1中给出了本发明数字式变阻器(变阻器2)与一种现有的常规数字式变阻器(变阻器1)同样条件下的测试对比数据，其中，测试条件为：激励电流I＝1mA，输出400Ω。

表1

条件	电路1(测变阻器1)	电路2(测变阻器2)
			激励电流噪声频率：100kHzIp-p＝0.1mA	30秒内测得的电阻值：399.840～400.156Ω输出波动：0.316Ω	30秒内测得的电阻值：399.974～400.028Ω输出跳字：0.054Ω
激励电流噪声频率：400kHzIp-p＝0.1mA	30秒内测得的电阻值：399.837～400.169Ω输出波动：0.332Ω	30秒内测得的电阻值：399.972～400.034Ω输出跳字：0.062Ω
			激励电流噪声频率：100kHzIp-p＝0.03mA	30秒内测得的电阻值：399.949～400.044Ω输出波动：0.095Ω	30秒内测得的电阻值：399.982～400.021Ω输出跳字约0.039Ω
激励电流噪声频率：400kHzIp-p＝0.03mA	30秒内测得的电阻值：399.946～400.053Ω输出波动：0.107Ω	30秒内测得的电阻值：399.979～400.023Ω输出跳字约0.044Ω

由表1可以看出，由于本发明数字式变阻器采用的反馈回路不易受电流变化的干扰，抑制了激励电流的噪声干扰，从而减少了输出电阻波动，具有较高的稳定性。

本发明还可以有其它具体实施方式，如V/I转换模块和程控电流源不限于上文所述的与微处理器连接，也可以采用其它的数字控制输入方式，如数字接口连接开关矩阵等。

Claims

1.一种数字式变阻装置，包括第一端口A和第二端口B，以及连接在所述第一端口A与所述第二端口B之间的电流调节电路，通过调节所述电流调节电路中的电流值来得到所需电阻，其特征在于，

所述电流调节电路包括第一电阻Rs、第二电阻R、电压差测量电路以及输出电流可变的数控电流源，其中，

所述第一电阻Rs的一端连接所述第一端口A，另一端与所述第二电阻R的一端连接，所述第二电阻R的另一端连接所述第二端口B；

所述电压差测量电路对所述第一电阻Rs两端的电压差U_Rs进行测量，并将所述电压差U_Rs输出给所述数控电流源；并且，

所述数控电流源的输出与所述第二电阻R的两端连接，用于控制流经所述第二电阻R的电流；

所述数控电流源包括电压/电流转换模块以及数字控制装置，其中，所述电压/电流转换模块包括电压/电流转换电路和控制电路，所述控制电路与所述数字控制装置连接，用于根据所述数字控制装置的状态或指令来控制所述电压/电流转换电路的电压/电流转换系数K。

2.如权利要求1所述的数字式变阻装置，其特征在于：

当所述电压/电流转换模块输出的电流方向被预设为从所述第二电阻R的连接于第二端口B的一端处流入所述第二电阻R时，所述第一端口A和所述第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R-K×Rs×R，其中0≤K≤(Rs+R)/(Rs×R)；

当所述电压/电流转换模块输出的电流方向被预设为从所述第二电阻R的连接于所述第一电阻Rs的一端处流入所述第二电阻R时，所述第一端口A和所述第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R+K×Rs×R，其中K≥0。

3.如权利要求1所述的数字式变阻装置，其特征在于，所述控制电路还可用于根据所述数字控制装置的状态或指令来控制所述电压/电流转换模块的电流输出方向；

当所述电压/电流转换模块输出的电流方向被控制为从所述第二电阻R的连接于第二端口B的一端处流入所述第二电阻R时，所述第一端口A和所述第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R-K×Rs×R，其中0≤K≤(Rs+R)/(Rs×R)；

当所述电压/电流转换模块输出的电流方向被控制为从所述第二电阻R的连接于所述第一电阻Rs的一端处流入所述第二电阻R时，所述第一端口A和所述第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R+K×Rs×R，其中K≥0。

4.一种数字式变阻装置，包括第一端口A和第二端口B，以及连接在所述第一端口A与所述第二端口B之间的电流调节电路，通过调节所述电流调节电路中的电流值来得到所需电阻，其特征在于，

所述数控电流源包括模数转换器、数字控制装置和电流发生器，其中，所述模数转换器将所述电压差测量电路输入的电压差U_R转换成数字信号并输出给所述数字控制装置，所述电流发生器与所述数字控制装置连接，用于根据所述数字控制装置的状态或指令来输出电流I1，并且，所述电流I1与所述电压差的关系为I1＝K×U_R，其中K由所述数字控制装置的状态或指令来确定。

5.如权利要求4所述的数字式变阻装置，其特征在于：当所述电流发生器输出的电流方向被预设为从所述第二电阻R的连接于第二端口B的一端处流入所述第二电阻R时，所述第一端口A和所述第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R-K×Rs×R，其中0≤K≤(Rs+R)/(Rs×R)。

6.如权利要求4所述的数字式变阻装置，其特征在于：当所述电流发生器输出的电流方向被预设为从所述第二电阻R的连接于所述第一电阻Rs的一端处流入所述第二电阻R时，所述第一端口A和所述第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R+K×Rs×R，其中K≥0。

7.如权利要求4所述的数字式变阻装置，其特征在于，所述电流发生器包括电压/电流转换电路和控制电路，所述控制电路可用于根据所述数字控制装置的状态或指令来控制所述电流发生器的电流输出方向；

当所述电流发生器输出的电流方向被控制为从所述第二电阻R的连接于第二端口B的一端处流入所述第二电阻R时，所述第一端口A和所述第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R-K×Rs×R，其中0≤K≤(Rs+R)/(Rs×R)；

当所述电流发生器输出的电流方向被控制为从所述第二电阻R的连接于所述第一电阻Rs的一端处流入所述第二电阻R时，所述第一端口A和所述第二端口B的输出电阻值R_AB＝Rs+R+K×Rs×R，其中K≥0。

8.如权利要求1到7中的任何一项所述的数字式变阻装置，其特征在于，所述电压差测量电路包括用于降低电流耦合的滤波器以及用于测量并输出电压差的差分电路。

9.如权利要求1到7中的任何一项所述的数字式变阻装置，其特征在于，所述数字控制装置是微处理器。

10.如权利要求8所述的数字式变阻装置，其特征在于，所述数字控制装置是微处理器。